「ダイヤモンドより強い」カーボンナノ構造設計

カリフォルニア大学アーバイン校 2020年4月14日

UCIやその他の機関の研究者によって設計された壁厚約160ナノメートルの独立気泡のプレートベースのナノ格子構造は、そのような配置が多孔質材料の強度と剛性の理論上の限界に達することを初めて実験的に検証したものである。 クレジット: Cameron Crook および Jens Bauer / UCI

カリフォルニア大学アーバイン校などの研究者らは、密度と強度の比でダイヤモンドよりも強いプレートナノ格子（ナノメートルサイズの炭素構造）を建築的に設計した。

In a recent study in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Communications によると、科学者らは、過去数十年間、このような構造物に一般的だった円筒形のトラスの代わりに、緊密に接続された独立気泡プレートで構成される材料の概念化と製造に成功したと報告している。

「これまでのビームベースの設計は、非常に興味深いものではありましたが、機械的特性の点ではそれほど効率的ではありませんでした」と、責任著者で機械・航空宇宙工学のUCI研究者であるイェンス・バウアー氏は述べた。 「私たちが作成したこの新しいクラスのプレートナノ格子は、最高のビームナノ格子よりも劇的に強くて硬いです。」

論文によると、チームの設計は、円筒梁ベースの建築の平均性能を強度で最大 639 パーセント、剛性で 522 パーセント向上させることが示されています。

材料科学・工学および機械・航空宇宙工学のUCI教授であるロレンツォ・ヴァルデヴィット氏の建築材料研究室のメンバーは、走査型電子顕微鏡やアーバイン材料研究所が提供するその他の技術を使用して研究結果を検証した。

「科学者らは、プレートベースの設計で配置されたナノ格子は信じられないほど強力になると予測している」と筆頭著者で材料科学・工学のUCI大学院生であるキャメロン・クルック氏は述べた。 「しかし、この方法で構造物を製造するのは難しいため、私たちが成功するまで理論は決して証明されませんでした。」

Bauer said the team's achievement rests on a complex 3D laser printing process called two-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">光子重合による直接レーザー書き込み。 紫外線感受性の液体樹脂の液滴内でレーザーの焦点を合わせると、その材料は固体ポリマーになり、そこで分子が 2 つの光子に同時に衝突します。 この技術では、レーザーを走査するか、ステージを 3 次元で移動することにより、160 ナノメートルもの薄いプレートの集合体で構成されるセルの周期的配置をレンダリングできます。

One of the group's innovations was to include tiny holes in the plates that could be used to remove excess resin from the finished material. As a final step, the lattices go through pyrolysis, in which they’re heated to 900 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">真空中で摂氏1時間。 バウアー氏によると、最終的に得られるのは、科学者らがこのような多孔質材料で考えられる最高の強度を備えた立方体状のガラス状炭素格子だという。

バウアー氏は、この研究のもう一つの目標と成果は、基礎物質の固有の機械的効果を利用することであると述べた。 「どんな材料であっても、そのサイズを 100 ナノメートルまで劇的に小さくすると、細孔や亀裂のない理論上の結晶に近づきます。これらの欠陥を減らすことで、システムの全体的な強度が向上します。」と彼は言いました。

UCIのデザイン・製造イノベーション研究所所長のヴァルデビット氏は、「これらの構造の理論的性能は以前から予測されていたが、私たちはそれらが予測どおりに性能を発揮できることを実験的に検証し、同時に設計された材料を実証した最初のグループだった」と付け加えた。前例のない機械的パフォーマンスを実現します。」

ナノ格子は、強度と低質量密度の組み合わせにより航空機や宇宙船の性能が大幅に向上すると期待されているため、特に航空宇宙分野の構造技術者にとって大きな期待を寄せています。

参考文献: Cameron Crook、Jens Bauer、Anna Guell Izard、Cristine Santos de Oliveira、Juliana Martins de Souza e Silva、Jonathan B. Berger、Lorenzo Valdevit による「剛性と強度の理論的限界におけるプレート ナノ格子」、2020 年 4 月 14 日、 Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2

この研究の他の共著者には、機械・航空宇宙工学を専攻するUCI大学院生のアンナ・グエル・イザード氏、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とドイツのマルティン・ルター大学ハレ・ヴィッテンベルク校の研究者が名を連ねた。 このプロジェクトは海軍研究局とドイツ研究財団から資金提供を受けました。